花崗巖殘積土邊坡初始水力場(chǎng)設(shè)置方法探討

張乾坤

（1.澤州縣水務(wù)局,山西 澤州 048000；2.澤州縣水利發(fā)展中心水保股,山西 澤州048000）

1 引言

花崗巖體是地球上出露最多的一種巖漿巖體,在我國(guó),花崗巖占據(jù)了9%的表生陸地[1],且形成了眾多花崗巖地貌,包括峰林、陡崖、陡坡、丘陵等,在東南沿海地區(qū)（廣東、福建、臺(tái)灣）,廣泛發(fā)育花崗巖地貌[2],尤以丘陵地貌最為突出多見,大量的花崗巖丘陵區(qū)為這一地區(qū)的邊坡工程興建帶來(lái)了諸多問(wèn)題,由于這一地區(qū)海拔較低,離海較近,邊坡很易受海平面引起的陸下水位波動(dòng)影響。很多學(xué)者采用FLAC3D軟件對(duì)土質(zhì)或軟巖邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究。張巖巖[3]采用FLAC軟件對(duì)徑流和滲流共同作用下的土質(zhì)邊坡滑坡形成過(guò)程進(jìn)行了研究。安然等[4-5]對(duì)炎熱而又多雨氣候條件下的花崗巖殘積土的強(qiáng)度衰減特性進(jìn)行了研究,將其弱化衰減與花崗巖殘積土顆粒的微觀變化聯(lián)系起來(lái)考慮。楊濤等[6-7]采用FLAC3D軟件對(duì)貴州一個(gè)高填方土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,確定了安全系數(shù)較低區(qū)域的分布情況。馬小斐等[8-9]基于FLAC3D的計(jì)算結(jié)果對(duì)深基坑邊坡支護(hù)方案的可靠性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),得出其支護(hù)方案中支護(hù)構(gòu)件受力合理,支護(hù)方案穩(wěn)妥可行的結(jié)論。張燦燦[10]基于野外調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,采用FLAC3D有限差分軟件結(jié)合相應(yīng)的極限平衡分析理論,對(duì)徐州沙虎山滑坡進(jìn)行了降雨條件下的穩(wěn)定性分析計(jì)算,得出了滑坡發(fā)生的可能降雨閾值,為該處滑坡災(zāi)害的發(fā)生提供了參考預(yù)警雨強(qiáng),并提出了建議性的滑坡治理方法。陳觀明[11]對(duì)一順層路塹巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了邊坡位移、應(yīng)力和剪切應(yīng)力集中區(qū)域的情況,得出的結(jié)果和理論計(jì)算解相吻合。

基于Rhino軟件平臺(tái)構(gòu)建了三維花崗巖殘積土邊坡模型,采用FLAC3D軟件進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定分析,在進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算之前,首先需要構(gòu)建初始水力場(chǎng),本文介紹了兩種建立初始水力場(chǎng)的方法,在水位面高程出現(xiàn)變化時(shí),分別采用兩種方法進(jìn)行構(gòu)建,比較了兩種方法的構(gòu)建結(jié)果,分析了這兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn),涉及地下流體初始流體力場(chǎng)建立時(shí),可選擇參照?qǐng)?zhí)行。

2 FLAC3D初始流體力場(chǎng)的生成

有地下流體（天然氣、石油、水）的條件下,FLAC3D共為使用者提供兩種構(gòu)建初始流體力場(chǎng)的方法,且這兩種方法均可以在不設(shè)置model configure fluid的條件下建立初始流體力場(chǎng),這兩種方法是：（1）根據(jù)流體密度,按照重力場(chǎng)計(jì)算流體壓力梯度和高程上某一點(diǎn)的流體壓力,采用“initialize porepressure”命令對(duì)流體壓力場(chǎng)賦值；（2）用“fluid table”命令設(shè)置流體表面高程,同時(shí)用fluid-density命令設(shè)置流體密度對(duì)初始流體力場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)建。

3 模型構(gòu)建

萬(wàn)里水庫(kù)位于山西省澤州縣下村鎮(zhèn)萬(wàn)里村西北的長(zhǎng)河支流上,屬于黃河流域,壩址以上控制流域面積7.23km2,大壩為均質(zhì)土壩,最大壩高15.2 m,總庫(kù)容51萬(wàn)m3,是一座以防洪、灌溉為主的小（2）型水庫(kù)。庫(kù)岸邊坡為花崗巖殘積土邊坡類型。

構(gòu)建如圖1 所示的花崗巖殘積土邊坡模型,20 m坡長(zhǎng),角度為40°,各設(shè)置5 m寬的坡頂和坡底,坡體前部整體高8 m,坡體后部整體高20.7 m,坡體底邊水平長(zhǎng)度為25.4 m,坡體向內(nèi)延伸6 m,消除模型邊界效應(yīng),整體為花崗巖殘積土邊坡模型,材料主要本構(gòu)模型參數(shù)為：體積模量3×107Pa,剪切模量1×107Pa,泊松比0.5,內(nèi)摩擦角20°,黏聚力1×104Pa,抗拉強(qiáng)度設(shè)置成默認(rèn)值0。固定LEFT、RIGHT兩側(cè)和FRONT、BACK后兩面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的X及Y方向的速度,底面（Z坐標(biāo)為0處）網(wǎng)格點(diǎn)XY三個(gè)方向的速度固定為0,流體面高程設(shè)置成5 m（圖1中（a）圖）和8 m（圖1中（b）圖）,以計(jì)算模擬求證兩種初始流體場(chǎng)建立方法對(duì)不同高程的流體面是否都適用。

4 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)主要給出不同高程流體面情況下的初始流體力場(chǎng)生成結(jié)果,通過(guò)對(duì)比兩種生成初始流體力場(chǎng)方法建立的高程變化流體面的初始流體力場(chǎng)的真實(shí)性和結(jié)果的呈現(xiàn)效果,總結(jié)兩種生成初始流體力場(chǎng)方法的優(yōu)點(diǎn)。

（1）流體面高程8 m

用“fluid table”命令設(shè)置流體表面高程,同時(shí)用fluiddensity命令設(shè)置流體密度后,生成的初始流體力場(chǎng)如圖2（a）所示,由圖可知,該方法生成了正確的初始流體力場(chǎng),且該方法能夠呈現(xiàn)出流體面,視覺(jué)直觀。經(jīng)過(guò)計(jì)算,得出流體力場(chǎng)梯度和某一坐標(biāo)Z處的壓力大小后,采用“initialize porepressure”命令對(duì)流體壓力場(chǎng)直接設(shè)定,得到的初始流體力場(chǎng)如圖2（b）所示,由圖2（b）可知,該方法生成的初始流體力場(chǎng)與前一種方法生成的初始流體力場(chǎng)相同,且正確,但是該方法不能夠呈現(xiàn)出流體表面,視覺(jué)上不直觀。由上述分析可知,流體面高程為8m時(shí),兩種方法都能夠生成正確的初始流體力場(chǎng),相較于“initialize porepressure”命令,“fluid table”命令結(jié)合fluid-density命令的方式生成的初始流體力場(chǎng)在視覺(jué)效果呈現(xiàn)上更為直觀易懂,且不需要先行計(jì)算流體力場(chǎng)的分布梯度和某一坐標(biāo)Z處壓力大小,但是,由于采用雙命令結(jié)合的方式,缺一不可,在使用不熟練時(shí),極易忽略某一命令,而造成計(jì)算出錯(cuò)停止進(jìn)行或不能生成正確的初始流體力場(chǎng),且使用者不加以檢查時(shí),并不知道自己已經(jīng)建立了錯(cuò)誤的流體力場(chǎng),影響后續(xù)計(jì)算。

圖2 流體面高程8 m時(shí)初始流體力場(chǎng)云圖

（2）流體面高程5 m

用“fluid table”命令設(shè)置流體表面高程,同時(shí)用fluiddensity命令設(shè)置流體密度后,生成的初始流體力場(chǎng)如圖3（a）所示,由圖3（a）可知,該方法生成了正確的初始流體力場(chǎng),且該方法能夠呈現(xiàn)出流體面,視覺(jué)直觀。經(jīng)過(guò)計(jì)算,得出流體力場(chǎng)梯度和某一坐標(biāo)Z處的壓力大小后,采用“initialize porepressure”命令對(duì)流體壓力場(chǎng)直接設(shè)定,得到的初始流體力場(chǎng)如圖3（b）所示,由圖3（b）可知,該方法生成的初始流體力場(chǎng)與前一種方法生成的初始流體力場(chǎng)相同,且正確,但是該方法不能夠呈現(xiàn)出流體表面,視覺(jué)上不直觀。由上述分析可知,流體面高程為5 m時(shí),兩種方法也同樣都生成了正確的初始流體力場(chǎng),兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),前已述及,在此不再贅述。

圖3 流體面高程5 m時(shí)初始流體力場(chǎng)云圖

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)不同高程流體面,初始流體力場(chǎng)建立過(guò)程和結(jié)果的分析,本文主要獲得以下結(jié)論：

（1）“initialize porepressure”命令及“fluid table”命令結(jié)合fluid-density命令的方式都可以用來(lái)生成正確的初始流體力場(chǎng)。

（2）“fluid table”命令結(jié)合fluid-density命令生成初始流體力場(chǎng)的方式在視覺(jué)效果呈現(xiàn)上更為直觀易懂,且不需要先行計(jì)算流體力場(chǎng)的分布梯度和某一坐標(biāo)Z處壓力大小。

（3）“initialize porepressure”命令生成初始流體力場(chǎng)的方式不易出錯(cuò),且視覺(jué)呈現(xiàn)上不存在流體面,對(duì)于后續(xù)計(jì)算中流體面在不斷變化的情況,較為適宜。

（4）建議學(xué)者采用“initialize porepressure”命令生成初始流體力場(chǎng),出錯(cuò)概率小,且先行計(jì)算流體力場(chǎng)的整體分布,計(jì)算結(jié)果既可以用來(lái)對(duì)命令進(jìn)行設(shè)置,又可以加深對(duì)FLAC3D軟件流固耦合原理的理解。